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Efeito Seebeck
Em 1821, Thomas Johann Seebeck descobriu que um circuito feito de
dois metais diferentes, com junções em temperaturas diferentes desviaria o
ímã da bússola. Seebeck inicialmente acreditava que isto devia-se
ao magnetismo induzido pela diferença de temperatura. No entanto,
foi rapidamente percebido que uma corrente elétrica que é induzida, que pela
lei de
Ampère desvia o
ímã. Mais
especificamente, a
diferença
de
temperatura produz um potencial elétrico (tensão), que pode conduzir uma
corrente elétrica em um circuito fechado. Hoje, esse efeito é conhecido como
efeito Peltier-Seebeck.
A tensão produzida é proporcional à diferença de temperatura entre as duas
junções. A tensão de Seebeck não depende da distribuição de temperatura ao
longo dos metais entre as junções. Este efeito é a base física para um
termopar, que é usado frequentemente para medição de temperatura.
As Três Leis Termoelétricas
Lei do Circuito Homogêneo
Uma corrente elétrica não pode ser sustentada em um circuito de um único
metal homogêneo.
Olhe para as duas imagens a seguir. Os dois circuitos são idênticos e a
temperatura na junção é igual. Ambos irão gerar uma diferença de tensão. No
circuito da direita, uma segunda fonte de calorr é colocada sob um dos dois fios
do termopar e aquece-o. A primeira lei diz que, devido a segunda fonte de
calor aquecer apenas um fio e não a junção, a tensão de saída de ambos os
circuito serão a mesma. A tensão de saída só é afetada pela temperatura da
junção e não a temperatura dos fios. Isso porque, qualquer mudança de
temperatura num fio homogêneo não criará tensão.
Lei dos Metais Intermediários
Se
dois metais
diferentes constituem um
termopar e
um terceiro
metal diferente é introduzido ao circuito, enquanto a temperatura ao longo de
todo o comprimento do terceiro metal é mantido uniforme, a tensão de
saída não será afetado.
Olhe para o seguinte circuito. O fio azul do termopar é unido com um terceiro
metal diferente. Se a temperatura do fio em toda a sua extensão total é o
mesmo, então a tensão de saída não será afetada por esta inserção.
Lei das Temperaturas Intermediárias
Se um
termopar com
2 junções com
temperaturas T1 e T2
produz
uma diferença de tensão V1, e a diferença de tensão V2 nas temperaturas T2 e
T3, então a tensão gerada quando as temperaturas são T1 e T3 será V1 + V2.
Esta lei é muito importante para entender como adquirir a temperatura de
um termopar. Normalmente, a característica temperatura x tensão de um
termopar é dada para temperatura de referência 0ºC (32 º F). Olhe para os
2 circuitos abaixo. O termopar é um termopar tipo K, e o voltímetro usa fios de
cobre. No ponto em que o voltímetro é conectado para medir a tensão, duas
novas junções de termopar são criadas. No circuito de esquerda, essas novas
junções são mantidas em 0ºC (32 º F). Desta forma, a tensão medida pode ser
diretamente convertida em temperatura, assim como a tabela para conversão
normalmente a temperatura de referência está a 0ºC . Olhando para o circuito
de direita pode-se ver um exemplo mais realista. A temperatura de
referência agora é 20ºC. A tensão não pode ser diretamente convertida
em temperatura uma vez que a junção de referência (onde o voltímetro
é conectado) não é 0ºC. De acordo com a 3ª lei, se soubermos a temperatura
de referência, então podemos calcular a temperatura medida, adicionando a
tensão medida e outra tensão chamada VREF. Esta VREF é a tensão que
seria criada pelo termopar, se a tensão de referência “diferente de zero” fosse
medida por uma junção termopar com temperatura de referência 0ºC .
Ligações de termopares series, paralelo e oposição
Questões relativas à definição e à utilização de termopares em série ou
paralelo surgem de vez em quando. Numa tentativa de esclarecer de um modo
geral a maioria destas questões, as seguintes informações são oferecidas
SERIES - frequentemente denominado como uma Termopilha
Termopares ligados em série produzem um sinal fem que é adicionado. Ou
seja, as saídas de um número de termopares que são somadas
produzem uma saída total de todos os termopares.
Com referência ao desenho nº 1, vamos supor que A é ferro e B é
constantan. Vamos continuar assumindo que as juntas de referência estão em
0ºC (32ºF) e as juntas de medição estão em 100ºC (212ºF). Da Tabela de
termopar milivolts x temperatura vemos que a saída de um único termopar a
100ºC (212ºF) é 5.269 milivolts. Com quatro pares em uma série como no
desenho nº1, somamos 5.269 milivolts quatro vezes para obter uma saída final
de 21.076 milivolts. A fórmula para obter isto é:
E  ET 1  ET 2  ET 3  ET 4
Duas aplicações comuns são:
1. Medição de temperatura em que uma mudança muito pequena é
fundamental para a aplicação. Ampiando o sinal, essas pequenas
mudanças podem ser detectadas mais facilmente num simples
instrumento.
2. Trabalhando com um relé sensível a tensão, onde uma pequena
mudança não é suficiente para disparar o contato. Deve-se tomar
cuidado neste caso para que não excedam o limite de impedância de
trabalho.
PARALELO – Freqüentemente denominado como uma Média de Termopares
Termopares ligados
em
paralelo produzem a
mesma
fem para um
termopar único. Se todos os termopares possuem impedâncias iguais e
suas juntas de medição estão em diferentes temperaturas, então a
fem gerada corresponderá à média das temperaturas da das juntas individuais.
Olhando o desenho nº 2, vamos novamente supor que A é ferro e
B é constantan. Vamos supor também que a temperatura de referência
T1 é 0ºC (32 º F). Se T2 está em 100ºC (212ºF), T3 está em 96ºC (204,8 º F),
T4 está em 98ºC (208,4ºF), e T5 está em 102ºC (215,6ºF), e todos os
casais são de impedâncias iguais, teremos uma saída de 99ºC (210,2ºF) que é
a temperatura média. A fórmula que se aplica é a seguinte:
EMF 
T2  T3  T4  T5 
4
Nem sempre é possível fazer todos os pares paralelos com impedâncias
iguais. Quando
isto representa
um
problema,
podemos
acrescentar resistores em
série
com
cada
par. Se
tivermos quatro
pares variando entre 8 e 12 ohms e adicionar resistores de200 ohms em série
com cada um, reduzimos a diferença para uma insignificante fração da
resistência total.
Duas aplicações comuns são:
1. Montagem das carcaças das aeronaves onde um grupo de pares são
colocados em um anel ao redor do escape retornam para um
indicador simples na cabine
2. Um método barato de alarme de temperatura alta usando um
instrumento único para indicação de alarme.
Introduzir conexões cruzadas entre qualquer combinação de termoares série
ou paralelo não são permitidas.
OPOSIÇÃO - frequentemente denominado como Termopares Diferenciais.
Termopares ligados em oposição apresentam uma fem correspondente à
diferença dos sinais dos pares individuais. Ou seja, se as juntas de medição
dos termopares estão em temperatura diferentes e estes estão ligados em
oposição, então a fem gerada corresponderá à diferença de temperaturas entre
em cada um dos pares individuais.
Olhando o desenho nº 3, mais uma vez supor que A é ferro e B é constantan.
Vamos considerar também que as juntas de referências estão em 0ºC (32ºF), e
as juntas de medição estão em 100ºC (212ºF) e 102ºC (215,6ºF). Da Tabela de
termopar milivolts x temperatura vemos que a saída de um termopar a 100ºC
(212ºF) é 5.269 milivolts, e outro a 102ºC é 5.378 milivolts. Com os dois pares
em ligados em oposição como no desenho nº3, subtraímos 5.378 milivolts e
5.269 milivolts para obter uma saída final de 0.109 milivolts, que corresponde a
2ºC (35,6ºF). A fórmula para obter isto é:
E  ET 1  ET 2
Desenho no. 1
Ligação Série
Desenho no. 2
Ligação Paralela
Desenho no. 3
Ligação Oposição
Tipos de Termopares
Diferentes combinações de metais produzirão termopares diferentes, e estes
metais diferentes
têm durabilidade e
níveis
diferentes de
força,
pesquisadores produziram combinações padronizadas para explorar o máximo
resultado do potencial e num conjunto padronizado de combinações.
Existem quatro diferentes classificações de termopares, a maioria distinguidos
por uma letra maiúscula. Estes são home body class (comum), a upper crust
class (nobre), a rarified class e a exotic class. A home body class consiste no
"padrão" ou
metais comumente
utilizados,
enquanto
a
classe nobre representa todas
as
combinações de
platina. A
rarified
class consiste de metais refratários e da exotic class é muito mais
específico por natureza, geralmente com combinações especiais de metais
raros usados para aplicações especificadas.
Home Body Class (Comum)
Tipo K
Cromel (90% de Níquel e 10 % de Cromo ) – Alumel
(composto de 95% de Níquel , 2% de Manganês, 2% de Alumínio e 1% Silício )
é um dos termopares mais comuns de uso geral com uma sensibilidade de
aproximadamente 41µV/°C, Cromel é positivo em relação ao Alumel. É barato,
e há uma grande variedade de tipos de construções ao longo de sua escala 200°C a 1260°C / -328°F a 2300°F. O tipo K foi especificado em um momento
em que a metalurgia era menos avançada do que é hoje e,
conseqüentemente, as características variavam consideravelmente entre as
amostras. Um dos metais constituintes, o Níquel é magnético; uma
característica de termopares feitos com material magnético é que eles passem
por uma mudança radical na produção quando o material magnético atinge o
seu ponto de curie (cerca de 354°C/669ºF para termopares tipo K).
Tipo E
(Cromel/Constantan) tem uma saída elevada (68µV /°C), que o
torna adequado para uso criogênico. Além disso, não é magnético.
Tipo J(Ferro/Constantan) tem um alcance mais restrito em relação ao tipo K (40a 750°C/-40ª 1382ºF), mas maior sensibilidade por volta de 55µV/°C. O
ponto de Curie do Ferro (770°C/1418ºF) provoca uma mudança abrupta na
característica, que determina o limite superior da temperatura.
Tipo N
Nicrosil (Níquel-Cromo-Silício)
/ Nisil (Níquel-Silício)
são
adequados para uso em altas temperaturas, superiores a 1200°C/2192ºF,
devido à sua estabilidade e capacidade de resistir à oxidação a altas
temperaturas. A
sensibilidade
é
cerca
de
39µV/°C a
900°C/1652ºF, ligeiramente inferior ao tipo K. Projetado para ser um tipo
K melhorado, está se tornando mais popular.
Tipo T
(Cobre/Constantan) são adequados para medições de -200 a
370°C/-328 a 698ºF. Muitas vezes usado para medições diferenciais onde
somente o fio de Cobre une as sondas. Uma vez que ambos os
condutores são não-magnético, não há nenhum ponto de Curie e, portanto,
nenhuma mudança abrupta nas características. Termopares tipo T têm uma
sensibilidade por volta de 43µV/°C.
Upper Crust Class (Nobres)
Termopares tipo B, R, S usam Platina ou uma liga de Platina-Ródio para
cada condutor. Estes estão entre os termopares mais estáveis, mas têm menor
sensibilidade em relação aos outros tipos, cerca de 10°µV/ºC. Eles
normalmente são usados apenas para medições de temperaturas elevadas
devido ao seu alto custo e baixa sensibilidade.
Tipo B
utiliza uma
liga
de Platina-Ródio para
cada condutor. Um
condutor contém 30% de Ródio, enquanto o outro condutor contém 6% de
Ródio. Estes
termopares são
adequados
para uso
até
1800°C/3272ºF. Termopares tipo B produzem o mesmo resultado a 0°C/32ºF e
42°C/107,6ºF, limitando a sua utilização abaixo de 50°C/122ºF.
Tipo R
utiliza uma liga de Platina-Ródio contendo 13% de Ródio para um
condutor e de Platina pura para o outro condutor.Termopares tipo R são
usados até 1600°C/2912ºF.
Tipo S
são construídos utilizando um fio com 90% de Platina e 10% de
Ródio (fio positivo ou "+" ) e um segundo fio de 100% de Platina (o fio negativo
ou "-" ). Como
o
tipo R,
termopares
tipo S são
usados até
1600°C/2912ºF. Em particular, tipo S é usado como padrão de calibração
para o ponto de fusão do Ouro (1064,43°C/1947,97ºF).
Rarified Class
Tipo C
(Tungstênio-5%Rênio / Tungstênio-26%Rênio) são adequados
para medições de 0 a 2320°C/32 a 4208ºF.Este termopar é adequado
para fornos a vácuo em temperaturas extremamente altas. Ele nunca deve ser
usado na presença de oxigênio em temperaturas acima de 260°C/500ºF.
Exotic Class
Cromel / Ouro-Ferro, o fio positivo é chromel e o fio negativo é de ouro
com uma pequena fração (0,03-0,15% de átomo) de Ferro. Ele pode ser
usado para aplicações criogênicas (1,2-300 K e mesmo até 600 K). A
sensibilidade e a faixa de temperatura dependem da concentração de Ferro. A
sensibilidade é tipicamente por volta de 15 µV/K em baixas temperaturas e as
menores temperaturas aplicáveis variam entre 1,2 e 4,2 K.
Características dos termopares
Tipo
J
Material do Material do
Atmosfera
Condutor Condutor (Características
Recomendada
(+)
)
Ferro
Constantan Vácuo
O condutor de Ferro pode
Inerte
enferrujar ou tornar-se frágil
Oxidante
em temperaturas abaixo de
Redutora
zero. Se desprotegido, o
condutor de Ferro pode ser
K
Cromel
Alumel
Inerte
Oxidante
T
Cobre
Constantan Vácuo
Inerte
Oxidante
Redutora
E
Cromel
Constantan Inerte
Oxidante
Redutora
N
Nicrosil
Nisil
Inerte
Redutora
R
PlatinaRódio13%
Platina
Inerte
Oxidante
S
PlatinaRódio10%
Platina
Inerte
Oxidante
B
PlatinaRódio30%
PlatinaRódio6%
Inerte
Oxidante
atacado em atmosferas de
Amônia,
Nitrogênio
e
Hidrogênio. O Tipo J não
deve
ser
itilizado
em
atmosferas sulfurosas acima
de 540ºC/1004ºF
Geralmente utilizado para
medição
em
altas
temperaturas
até
1260ºC/2300ºF. Não deve
der usado para medidas
precisas
abaixo
de
600ºC/1112ºF
ou
após
exposição prolongada acima
de 760ºC/1400ºF.
Vida reduzida em atmosferas
oxidantes
e
redutoras
alternadas.
Comumente utilizado de
temperaturas negativas até
370ºC/698ºF. Boa resistência
a corrosão. Preferido ao
termopar
tipo
J
para
temperaturas negativas pela
maior resistência do Cobre à
umidade
comparado
ao
Ferro.
Maior FEM que qualquer par
metálico padronizado. Os fios
não etão sujeitos a corrosão
em temperaturas negativas.
Desenvolvido
para
resistência à oxidação e uma
FEM com estabilidade maior
que o tipo K em temperaturas
elevadas. Mais popular na
Europa
Boa linearidade em altas
temperaturas. Sempre deve
ser
protegidos
de
contaminações - isolação de
alta alumina
Amplamente utilizado em
laboratórios como padrão
para
calibração
de
termopares
de
metais
comuns
e
outros
instrumentos.
Aconselhável para utilização
entre
540ºC/1000ºF
e
1800ºC/3272ºF. Como os
outros termopares de Platina,
é necessário proteção contra
contaminação com isolação
em alta alumina.